基于IRt/c.3X的红外地表温度传感器设计

李丕峰，薛鸣方，徐毅刚

（1.南京信息工程大学电子与信息工程学院，南京210044；2.江苏省无线电科学研究所有限公司，江苏无锡214127）

基于IRt/c.3X的红外地表温度传感器设计

李丕峰1，薛鸣方2*，徐毅刚2

（1.南京信息工程大学电子与信息工程学院，南京210044；2.江苏省无线电科学研究所有限公司，江苏无锡214127）

基于自动气象站中考核地表温度所使用的IRt/c.3X红外传感器，设计一个以MSP430F2013为核心的数字式红外温度传感器。通过高精度基准电压源AD780实现对前端模拟式传感器内部K型热电偶的冷端补偿；利用单片机片上的可编程增益放大器PGA和16位模数转换器SD16_A完成热电偶输出信号的数字化；并采用分段线性拟合方法使系统的测温平均误差在±0.1℃以内，温度分辨率在常温范围内达到0.012 7℃。设计出的数字式红外地表温度传感器具有高精度、高分辨率、低功耗等特点。

数字化；分段式拟合法；IRt/c.3X红外传感器；MSP430；地表温度；

地表温度是全球资源环境和气候变化研究中的一个重要参数。近年来，国内少数气象观测站正在使用红外传感器对地表温度进行考核，以期将来在自动气象站中能够利用红外温度传感器代替传统铂电阻传感器以获得更准确的地表温度［1］。目前，考核中的红外温度传感器大都使用的是美国Exergen公司生产的IRt/c.3X传感器，这是一款模拟式传感器，输出信号必须通过数据采集器的处理才能传输到终端。本文将基于IRt/c.3X红外传感器，以MSP430F2013单片机为核心设计出一个适合在自动气象站中观测地表温度的高精度数字式红外地表温度传感器。

1　IRt/c.3X传感器测温原理

IRt/c.3X传感器探头处的红外滤光片可以通过6.5 μm～14 μm的红外辐射，测温范围达到-45℃～650℃。它主要由K型热电偶、黑体感应面、滤光片等部件组成。它是基于热电偶的测温原理进行温度的探测：目标物体发出的红外辐射透过滤光片被传感器内部的黑体感应面吸收，从而使K型热电偶的测量端受热，这样热电偶的开路端就会产生电压，再根据热电偶的偶塞贝克系数和参考端温度就可以计算求得测量端的温度。它的外形和内部结构如图1所示。

图1　IRt/c.3X传感器的外形和内部结构图

收稿日期：2015-07-10修改日期：2015-08-19

1.1热电偶的测温原理

热电偶测温原理是托马斯·塞贝克在1821年发现的。如果把两种不同金属导线的一端焊接在一起，该端称为测量端（TC），那么两种金属的另一端就称为参考端（TREF），当测量端和参考端之间存在温度梯度时，回路中便出现电流，在断开的回路上将产生差分电压（VOUT），该电压与测量端的温度成正比。K型热电偶的材料主要由镍铬-镍铝合金构成，它的测温范围宽，线性度好，并且具有适中的塞贝克系数。热电偶的塞贝克系数S可由下式定义［2］：

式中，ΔT为测量端与参考端的温度差（℃），VOUT为热电偶的输出差分电压（mV）。可见，要想确定测量端的温度，就必须知道参考端的温度，或者将参考端恒定在某个温度点［3］。理论上，热电偶的参考端以0℃为标准进行测量的。但在实际应用中，热电偶的参考端一般处于室温中，这样就需要用另外一种测温设备去获得参考端的温度，这难免会引入新的误差。本文将利用集成基准电压源进行热电偶的冷端补偿。

1.2热电偶的冷端补偿

AD780是AD公司生产的一款超高精度带隙基准电压源，它可以利用4 V～36 V的输入在VOUT端提供2.5 V的基准电压输出。该芯片具备环境温度检测功能，其TEMP端的输出电压随环境温度成线性变化，灵敏度为1.9 mV/℃，在25℃时，TEMP端输出电压为560 mV。利用AD780的这两个特点，在其VOUT端和TEMP端外接合适的元器件，便可实现热电偶的冷端补偿，所实现的电路如图2所示。

图2　热电偶冷端补偿电路

首先，需要根据热电偶的塞贝克系数来确定分压电阻R2的阻值。经计算，R2的阻值由下式确定：

式中，S为热电偶的塞贝克系数（mV/℃），R2的单位为kΩ。在测温过程中，热电偶的冷端温度即为环境温度，当环境温度为TA（℃）时，TEMP端的输出电压VT（mV）为：

选择合适的R4阻值，使输出电压VOUT在R4上的分压V4，等于环境温度为0℃时VT在R2上的分压。V4（mV）可由下式计算得到：

再根据V4和VOUT，就可以确定R4的阻值。TRIM 为VOUT调整端，通过调整电位器RP，可以补偿由于VOUT输出电压漂移和电阻R4的温度漂移造成电压V4的偏差，从而提高测量的准确性。经上分析，可确定输出电压V0的表达为：

式中，TC为被测目标温度（℃）。结合式（1）可见，经过上述补偿电路的输出电压VO，即等于塞贝克系数为S的热电偶在冷端为0℃时测量目标温度为TC时的输出电压。

2　系统硬件设计

对热电偶的数字化电路应该包括具有差分输入和能够分辨微小电压的高分辨率模数转换器。TI公司生产的16 bit超低功耗单片机MSP430F2013可以满足此要求，其片内集成了一个16 bit的高精度Σ-Δ模数转换器SD16_A和可编程增益放大器PGA，这使得单片机外部就无需使用仪表放大器，内部PGA就能够分辨来自热电偶的微伏级电压［4］。

整个系统的硬件设计流程为：前端IRt/c.3X传感器输出信号经过AD780冷端补偿后的Target差分电压信号被送入电压跟随器进行阻抗变换，随后将信号送入SD16_A进行放大和AD转换，CPU对转换结果进行处理，最后将处理的结果利用RS-485串口与计算机实现通信。系统的硬件框图如图3所示。

图3　系统硬件原理框图

2.1信号放大与AD转换模块

MSP430F2013片内的模数转换器SD16_A内部自带一个参考电压发生器，参考电压为VREF=1.2 V。此外，其内部还集成有可编程增益放大器PGA、SINC3梳状滤波器和温度传感器。SD16_A模块的主要组成结构如图4所示。

图4　SD16_A模块的结构图

通过寄存器的配置，外部模拟信号经过SD16_A的模拟差分输入通道送入PGA，PGA的放大增益可以根据需求用程序进行控制，增益最大可选择32×。各模拟通道的全程输入电压范围±VFSR由下式定义：

式中，GAINPGA为PGA的增益。放大后的模拟信号被送入二阶Σ-Δ调制器进行模数转换，调制器中的一个位比较器通过调制频率fM量化输入信号，所产生的1 bit数据流由数字滤波器平均分配作为转化结果。转换结果随着每个数字滤波器的采样步进转移到存储器SD16MEM0中。

2.2电压跟随器

传感器的输出阻抗一般比较高，IRt/c.3X在测温范围内输出阻抗达到4 kΩ～8 kΩ，而MSP430F2013内置SD16_A不带输入缓冲，在PGA增益为32×时，差分输入阻抗只有150 K。当传感器输出信号直接进入SD16_A，由于输出阻抗的影响，造成进入SD16_A的信号衰减3%左右，这对于μV级的传感器信号属于较大的误差。因此，本文利用电压跟随器以达到阻抗变换的目的，采用AD公司的AD8667运算放大器，它具有高输入阻抗和低输出阻抗等特点。

2.3MSP430F2013的外围主要电路设计

MSP430F2013的大部分引脚都复用了其他功能，需要设置I/O寄存器来选择引脚的功能。经冷端补偿后的差分信号分别输入AD8667的两个正输入通道，经电压跟随后送入单片机的A0差分输入口；SBWTCK和SBWTDIO用于2线制的JTAG调试；P1.6口和P1.2口分别用于模拟UART通信的数据发送和接收口；R/D用于MAX3485的收发使能。选用内部参考电压时，在VREF与VSS之间接一个100 nF的电容以抑制噪声。MSP430F2013的外围主要电路如图5所示。

图5　MSP430F2013外围主要电路图

3　目标温度的数据分析和处理

3.1IRt/c.3X的温度特性及分段线性拟合

IRt/c.3X传感器主要是利用K型热电偶来探测目标温度，传感器的输出就是热电偶的输出温差电动势（Vs）。为了得到目标温度与传感器输出电压之间的关系，在实验室条件下利用标准低温黑体炉产生-40℃～60℃的标准红外辐射，在这个温度范围内可以满足一般地表温度的测量。通过温度控制器使热电偶的冷端温度保持在0℃，并使用六位半数字万用表测量传感器的输出电压。测试所得V-T曲线如图6中的实线所示。

图6　实测V-T曲线与线性拟合曲线

根据ITS-90通用热电偶的逆函数［5］，有：

式中，T为ITS-90的温度值（℃），VS为热电偶对应的输出电压（mV），Ci为多项式系数。结合本试验实测结果，可求得目标温度T与传感器输出电压Vs的函数关系为：

由上式可见，多项式系数随着阶数的增加而减小。结合图6，可见在-40℃～60℃内，V-T函数曲线近似一条直线。对其进行线性拟合，拟合后的曲线如图6虚线所示，并利用最小二乘法［6］求得拟合直线的方程为：

从图6可见，在-20℃～40℃以内，线性拟合效果较好，但是目标温度在低于-20℃和高于40℃时，拟合曲线与实测曲线出现一定偏离，因此，本文采用分段线性拟合方法，对V-T曲线在-40℃～-20℃、-20℃～0℃、0℃～20℃、20℃～40℃和40℃～60℃内分别进行线性拟合，拟合结果如图7所示。

从图7可见，在每个分段范围内，拟合曲线与实测曲线基本上完全重合。同样，利用最小二乘法求出每一段拟合直线的参数，结果如表1所示。

图7　分段线性拟合曲线

表1　各分段内的线性拟合函数及塞贝克系数

从表1可见，通过分段线性拟合，每一段的拟合度R2都高达0.999 8以上，R2越接近1，说明拟合曲线与试验实测曲线越吻合。由塞贝克系数的定义可知，每个温度段的一次线性拟合函数的斜率即为在相应温度段内热电偶的塞贝克系数。图8给出了3种分段方式下实测点与拟合曲线的误差。

图8　不同分段方式下的拟合误差曲线

从图8可见，通过式9的不分段拟合最大拟合误差高达3.6℃以上，三段式线性拟合最大误差也达到0.6℃，而本文采用的五段式线性拟合，平均拟合误差在±0.1℃以内，最大拟合误差也不超过0.2℃。可见，拟合分段数越多，拟合误差越小，若要得到更高的拟合精度，可以采用更多的分段数来实现。但分段数目不能无限制增加，不然拟合精度会下降，可能出现龙格现象［7］。

3.2SD16_A的参数分析及V-T转换

经过热电偶的冷端补偿后，若目标温度小于0℃，则传感器的输出电压为负值。因此，SD16_A的最高位需要作为符号位，剩余的15位表示电压幅值，因此SD16_A的分辨率为1/215=1/32 768。传感器的精度要求为0.01℃，在-40℃～60℃范围内，有100×0.01=10 000个温度点，所以该SD16_A可以满足本传感器的设计要求。通过设置SD16CCTL0寄存器的SD16DF位和SD16UNI位可以选择AD转换输出为双极二进制补码格式，这种输出格式的输入电压和转换结果之间的关系如图9所示。

图9　SD16MEM0与输入电压的关系

结合式（6），若 PGA增益选择 32×，则VFSR= 18.75 mV。当模拟输入电压为0 mV～18.75 mV时，SD16MEM0的编码为0000H～7FFFH；当模拟输入电压为-18.75 mV～0 mV时，SD16MEM0的编码为8000H～FFFFH。同时可求得该ADC的温度分辨率Rtlsb为：

式中，VFSR为模拟通道的输入电压范围；FS为ADC的满量程编码，对于双极性配置的SD16_A，FS=215-1。因此该 ADC的电压分辨率为：18.75÷（215-1）≈5.722 2×10-4mV。表2给出各分段内的SD16MEM0编码和温度分辨率。

表2　各分段内的SD16MEM0编码及温度分辨率

采用分段线性拟合后，若要将SD16MEM0中的内容转换为被测温度值，电压与温度的转换流程图如图10所示。

图10中的SD16MEM0表示经SD16_A转换后的二进制编码；SD16MEM0区间根据表2的进行判断；段号①～段号⑤为表1中各段号内的线性拟合函数。

图10　电压与温度转换流程图

4　传感器表体温度的测量

4.1传感器表体温度对探测器的影响

根据热探测器工作机理的物理模型［8］：

式中，ε为探测器材料的发射率；P为入射辐射功率；H为探测器的热容量；G为探测器光敏面与周围环境形成的热导；ΔT为辐射引起探测器的温升。可见，传感器内部热电偶测得的黑体感应面温度不仅来自目标物体的红外辐射能，还包括传感器表体温度与其之间的热传导。

4.2SD16_A内置温度传感器

本文利用SD16_A内置温度传感器进行IRt/c.3X传感器表体温度的测量，内置温度传感器的典型传递函数为：

式中，VTS为温度传感器的输出电压（mV）；T为被测温度（℃）；kTS为该传感器的温度系数（mV/℃）；V0℃表示环境温度为0℃时的输出电压（mV）。KTS和V0℃的典型值分别为1.32 mV/℃和360 mV。由图4可见，内置温度传感器的输出电压被送入SD16_A的A6差分输入通道进行处理；在使用时，还必须打开内部的参考电压。所以，通过配置相关寄存器的SD16INCHx=110 和SD16REFON=1，就可以使用内置温度传感器对IRt/c.3X传感器的表体温度（TSB）进行测量。

5　系统软件设计

5.1辐射温度的修正

经过线性处理得到的实际上是物体的辐射温度，而不是物体的真实温度。根据辐射温度的定义可得辐射温度与真实温度之间的关系为：

式中，TAT为物体的真实温度℃；T为物体的辐射温度℃；ε为目标物体的发射率。可见，ε越接近于1，物体的辐射温度就越接近其真实温度。通常，在波长6.5 μm～14 μm内，土壤、水泥路面的发射率分别在0.94～0.99、0.88～0.97之间［9］。

5.2表体温度对真实温度的修正

Bugbee B［9］等人曾根据传感器表体温度（TSB）对IRt/c传感器的目标真实温度（TAT）进行修正，但此算法只在目标和表体间温差±9℃以内才有效（在通常情况下，地表与表体间温差满足此要求），修正后的温度（TCT）为：

其中，修正值TSEC是与TAT和TSB有关的函数：

式中，P（TSB）、H（TSB）和K（TSB）是与表体温度TSB有关的修正多项式，它们的关系如式（11）所示，其中，X=P、H、K。对于每一支不同的IRt/c传感器，P、H、K系数也不同，它们的值由标定获得。

5.3I/O口模拟UART

自动气象站中的传感器一般将采集和处理后的数据直接通过串口与计算机实时通信。MSP430F2013的通用串行接口（USI）不支持UART通信，因此本文利用IO口软件模拟UART。利用定时器A精确地模拟出UART时序。通过TA的捕获功能检测UART的起始位信息，并利用比较功能构造一个精确的波特率发生器为模拟串口通信提供时间基准，然后通过输出单元将数据发送出去，从而实现了整个UART的数据收发。在UART通信中，每一个数据位的传输时间Tbit与计数时钟频率fCLK、波特率N的关系为［10］：

5.4软件总体设计

本系统的软件设计采用C语言编程，集成开发环境使用IARfor MSP430。系统的主流程如图11所示。

主程序首先进行时钟的初始化；随后完成SD16_A的初始化，设定SD16_A为连续转换，二进制补码输出，差分输入通道选择A0，增益选择32 x；定时器初始化是为了给IO口模拟UART设定每一个数据位的传输时间。启动SD16_A开始目标信号的测量，随后系统进入低功耗模式，等待SD16_A完成转换。在中断函数中判断中断标志是否挂起，如果有新的转换结果写入SD16MEM0，通过分段式线性拟合法，判断SD16MEM0中的内容落在哪个区间内，利用拟合函数计算求得目标温度值T；随后启动内置温度传感器进行表体温度的测量，得到表体温度值TSB。最后通过发射率和表体温度进行修正，得到最终温度测值TCT。

图11　主程序流程图

6　结语

由于MSP430F2013的高度集成化，使本传感器的硬件设计较简单。单片机片上的PGA和Σ-Δ模数转换器完成模拟电压的放大和转换，简化了外围模拟电路的设计。利用AD780的热电偶冷端补偿方法使前端IRt/c.3X传感器总是以参考端为0℃的条件下测量目标温度，避免了使用其他温度传感器测量参考端温度所带来的误差。采用分段式线性拟合方法使得系统的测温平均误差在±0.1℃以内，最大误差不超过0.2℃。在地表常温范围内，系统的温度分辨率在高达到0.012 7℃，完全可以测量前端K型热电偶传感器输出μV级模拟电压的变化。最后利用SD16_A内置温度传感器测量表体温度，结合Bugbee.B表体温度修正算法以进一步提高测量准确度。

［1］ 储呈敏，马尚昌，张素娟，等.地表温度测量方法研究综述［J］.电子设计工程，2014，22（6）：187-189.

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［5］ 刘彦文，张景扬.ITS-90通用热电偶的温度与热电势编程计算［J］.自动化仪表，2002，23（6）：66-67.

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李丕峰（1991-），男，浙江省温州人，汉族，南京信息工程大学电子与信息工程学院在读硕士研究生，研究方向为气象探测仪器工程，lipitracy@126.com；

薛鸣方（1958-），男，江苏省无锡人，教授级高级工程师，硕士生导师，江苏省无线电科学研究所有限公司董事长，主要研究方向为地面气象仪器和观测方法，xue.mingfang@js1959.com。

Design of Surface Temperature Infrared Sensors Based on IRt/c.3X

LI Pifeng1，XUE Mingfang2*，XU Yigang2
（1.College of electronics and information Engineering，Nanjing university of information science&technology，Nanjing 210044，China；2.Jiangsu Radio Scientific Institute Co.Ltd.，Wuxi Jiangsu 214127，China）

Based on the IRt/c.3X infrared sensor used in the check of surface temperature in automatic meteorological station，a digital infrared temperature sensor with the MSP430F2013 as the core will be devised.Using high accuracy reference voltage source AD780，cold junction compensation of the K-type thermocouple inside the front-end analog sensor will be achieved；the digitalization of the output signal of the thermocouple will be achieved by using programmable gain amplifier PGA and 16 bit adc SD16_A；the system's average error of the temperature measured will be limited to the range of±0.1℃by using piecewise linear fitting；the temperature resolution will reach 0.012 7℃under normal temperature.The designed digital infrared surface temperature sensor has such features as high precise，high resolution and low power consumption.

digitize；sectional fitting；IRt/c.3X infrared sensor；MSP430；surface temperature

TP212.6

A

1005-9490（2016）03-0564-07

EEACC：7230；7320G10.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.013